【正文】 改善 GPS接收機(jī)的電路設(shè)計，為減弱多路徑效應(yīng)的影 三、 接收設(shè)備有關(guān)的誤差 20 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 與 GPS 接收 機(jī)設(shè)備有關(guān)的誤差主要包括觀測誤差。 。因此，在精密 GPS 導(dǎo)航和測量中，多路徑效應(yīng)的影響是不可忽視的。根據(jù)實驗資料表明，在一般反射環(huán)境下，多路徑效應(yīng)對測碼偽距的影響可達(dá)到米級，對測相偽距的影響可達(dá)到厘米級。與電離層的影響相類似，當(dāng)觀測站間相距不遠(yuǎn) (20km)時，由于信號通過對流層的路徑相近， 對流層的物理特性相近，所以對同 一衛(wèi)星的同步觀測值求差，可以明顯的減弱對流層折射的影響。對于輸送短的基線 (50km)，濕分量的影響較小 關(guān)于對流層折射的影響，一般有以下幾種處理方法： ，可不考慮其影響。干分量主要與大氣的濕度與壓力有關(guān)，而濕分量主要與信號傳播路徑上的大氣濕度有關(guān)。對于單頻 GPS接收機(jī)而言，這種方法的重要意義尤為明顯。 對于單頻 GPS 接收機(jī)，為了減弱電離層的影響，一般是采用導(dǎo)航電文提供的電離層模型，或其它適合的電離層模型對觀測量加以修正，但是這種模型至今仍在完善之中， 目前模型改正的有效率約為 75％。不過應(yīng)當(dāng)明確指出，在太陽輻射的正午或在太陽黑子活動的異常期，應(yīng)盡量避免觀測。便能多確定其影響，而對觀測量加以修正。當(dāng) GPS 衛(wèi)星處于天頂方向時，電離層折射對信號傳播路徑的影響最小，而當(dāng)衛(wèi)星接近地平線時，則影響最大。 法處理觀測數(shù)據(jù) 這種方法是在數(shù)據(jù)處理中，引入表征衛(wèi)星軌道偏差的改正參數(shù)，并假設(shè)在短 18 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 時間與衛(wèi)星信號傳播有關(guān)的誤差 與衛(wèi)星信號有關(guān)的誤差主要包括大氣折射誤差和多路徑效應(yīng)。測量的基線長 度越長，此項誤差的影響就越大。 衛(wèi)星軌道偏差 估計與處理衛(wèi)星的軌道偏差較為困難 ，其主要原因是，衛(wèi)星在運(yùn)行中要受到 多種攝動力的復(fù)雜影響，而通過地面監(jiān)測站，以難以充分可靠的測定這作用力， 并掌握它們的作用規(guī)律，目前，衛(wèi)星軌道信息是通過導(dǎo)航電文等到的。經(jīng)鐘差改正后，各衛(wèi)星之 間的同步差，即可保持在 20ns 以內(nèi)。這種偏差的總量約 在 1ms以內(nèi)。在GPS 定位中，無論是碼相位觀測或是載波相 位觀測，均要求衛(wèi)星鐘與接收機(jī)時鐘保持 嚴(yán)格的同步。 17 太原理工大 學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 第四節(jié) GPS導(dǎo)航定位誤差 一、 與 GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差 與 GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差主要包括衛(wèi)星的軌道誤差和衛(wèi)星鐘的誤差。采用差分定位，可完全消除第一部分誤差，可大部分消除第二部分誤差（視基準(zhǔn)站至用戶的距離）。用戶接收機(jī)在進(jìn)行 GPS 觀測的同時，也接收到基準(zhǔn)站的改正數(shù)，并對其定位結(jié)果進(jìn)行改正，從而提高定位精度。 該部分所講述的差分 GPS定位技術(shù)是將一臺接收機(jī)安置在基準(zhǔn)站上進(jìn)行觀測。其目的是消除公共誤差，提高定位精度。采用前者，用戶可同時提取測距信號和衛(wèi)星電文，但用戶必須知道測距碼的結(jié)構(gòu)；采用后者，用戶無須掌握測距碼的結(jié)構(gòu)，但只 能獲取載波信號而無法獲得測距碼和衛(wèi)星電文 差分 GPS定位 差分技術(shù)很早就被人們所應(yīng)用。 在 GPS 信號中由于已用相位調(diào)整的方法在調(diào)制了測距碼和導(dǎo)航電文，因而接收到的載波的相位已不再連續(xù)，所以在進(jìn)行載波相位測量以前，首先要進(jìn)行解調(diào)工作，設(shè)法將調(diào)制在載波上的測距碼和衛(wèi)星電文去掉，重新獲取載波，這一工作稱為重建載波。目前的大地型接收機(jī)的載波相位測量精 16 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 度一般為 1～ 2mm，有的精度更高。如果觀測精度均取至測距碼波長的百分之一，則偽距測量對 P碼而言量測精度為 30cm，對 C/A 碼而言為 3m左右。 載波相位測量定位 利用測距碼進(jìn)行偽距測量是 GPS 定位系統(tǒng)的基本測距方法。偽距法定位雖然一次定位精度不高（ P 碼定位誤差約為10m， C/A碼定位誤差為 20~30m），但因其具有定位速度快，且無多值性問題等優(yōu)點，仍然是 GPS 定位系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航的最基本方法。用 C/A 碼進(jìn)行測量的偽距為 C/A 碼偽距。所測偽距就是由衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號到達(dá) GPS 接收機(jī) 的傳播時間乘以光速得到的量測距離。實際應(yīng)用中，為了減弱衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差以及電離層和對流層的折射誤差的影響，常采用載波相位觀測值的各種線形組合（即差分值）作為觀測值，獲得兩點之間高精度的 GPS基線向量（即坐標(biāo)差）。而動態(tài)定位則至少有一臺接收機(jī)處于運(yùn)動狀態(tài)，測定的是各觀測時刻（觀測歷元）運(yùn)動中的接收機(jī)的點位（絕對點位或相對 點位）。靜態(tài)定位指的是對于固定不動的待定點，將 GPS 接收機(jī)置于其上，觀測數(shù)分鐘乃至更長的時間，以確定該點的三維坐標(biāo)，又叫絕對定位。依據(jù)測距的原理，其定位原理與計算方法主要有偽距法定位，載波相位測 量定位以及差分 GPS 定位等。 在 GPS定位中， GPS衛(wèi)星是高速運(yùn)動的衛(wèi)星，其坐標(biāo)值隨時間在快速變化著。在實際使用中需要根據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)的變換，來求出所使用的坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)。如下圖 27，在需要的位置 P點架設(shè) GPS接收機(jī)，在某一時刻 ti同時接收了 3顆（ A， B， C）以上的 GPS衛(wèi)星所發(fā)出的導(dǎo)航電文，通 過一系列數(shù)據(jù)處理和計算可求得該時刻 GPS接收機(jī)至 GPS衛(wèi)星的距離 SAP，SBP， SCP，同樣通過接收衛(wèi)星星歷可獲得該時刻這些衛(wèi)星在空間的位置（三維坐標(biāo)），從而用距離交會的方法求得Ｐ點的三維坐標(biāo)（ Xｐ， Yｐ， Zｐ），其數(shù)學(xué)式為： 圖 27 GPS 衛(wèi)星定位示意圖 式中：（ XA， YA， ZA），（ XB， YB， ZB），（ XC， YC， ZC）分別為衛(wèi)星 A，B， C 在時刻 ti的空間直角坐標(biāo)。 GPS衛(wèi)星發(fā)射測距信號和導(dǎo)航電文，導(dǎo)航電文中含有衛(wèi)星的位置信息。 將無線電信號發(fā)射臺從地面點搬到衛(wèi)星上，組成一顆衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，應(yīng)用無線點測距交會的原理，便可由三個以上地面已知點（控制點）交會出衛(wèi)星的位置，反之利用三顆以上衛(wèi)星的已知空間位置又可交會出地面未知點（用戶接收機(jī)）的位置。如此，可以確定三顆以上衛(wèi)星的空間位置。 近代衛(wèi)星大地測量中的衛(wèi)星激光測距定位也是應(yīng)用了測距交會定位的原理和方法。如果只有兩個無線電發(fā)射臺，則可根據(jù)用戶接收機(jī)的概略位置交會出接收機(jī)的平面位置。 就無線電導(dǎo)航定位來說，設(shè)想在地面上有三個無線電信號發(fā)射臺，其坐標(biāo)為已知，用戶接收機(jī)在某一時刻采用無線電測距的方法分別測得了接收機(jī)至三個發(fā)射臺的距離 d1,d2,d3。 第三節(jié) GPS衛(wèi)星 定位原理 一、 概述 測量學(xué)中有測距交會確定點位的方法。另一種為外接電源，這種電源常用于可充電的 12V直 13 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 流鎘鎳電池組，或采用汽車電瓶。對于導(dǎo)航接收機(jī)，有的還配有大顯示屏，在屏幕上直接顯示導(dǎo)航的信息甚至顯示數(shù)字地圖。并配有一個控制鍵盤。 接收用戶輸入信號。 根據(jù)機(jī)內(nèi)存儲的衛(wèi)星歷書和測站近似位置，計算所有在軌衛(wèi)星升降時間、方位和高度角。當(dāng)捕捉到衛(wèi)星即對信號進(jìn)行牽引和跟蹤，并將基準(zhǔn)信號譯碼得到 GPS衛(wèi)星星歷。其主要工作步 驟為： 接收機(jī)開機(jī)后首先對整個接收機(jī)工作狀況進(jìn)行自檢，并測定、校正、存儲各通道的時延值。在存儲器內(nèi)還裝有多種工作軟件，如：測試軟件；衛(wèi)星預(yù)報軟件；導(dǎo)航電文解碼軟件； GPS單點定位軟件。 （ 3） 存儲器 接收機(jī)內(nèi)沒有存儲器或存儲卡以存儲衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星歷書、接收機(jī)采集到的碼相位偽距觀測值、載波相位觀測值及多普勒頻移。 （ 2） 信號通道 信號通道是接收機(jī)的核心部分， GPS信號通道是硬軟件結(jié)合的電路。為便于接收機(jī)對信號進(jìn)行跟蹤、處理、和量測，對天線部分有以下要求： 天線與前置放大器應(yīng)密封一體，以保障其正常工作，減少信號損失； 能夠接收來自任何方向的衛(wèi)星信號，不產(chǎn)生死角； 有防護(hù)與屏蔽多路徑效應(yīng)的措施； 天線的相位中心保持高度的穩(wěn)定，并與其幾何中心盡量一致。 二、 GPS信號接收機(jī)的組成及原理 天線單元 它由接收天線和前置放大器兩個部件組成。 導(dǎo)航電文 導(dǎo)航電文是由 GPS 衛(wèi)星向用戶播發(fā)的一組反映衛(wèi)星在空間位置、衛(wèi)星的工作狀態(tài)、衛(wèi)星鐘的修正參數(shù)、電離層延遲修正參數(shù)等重要數(shù)據(jù)的二進(jìn)制代碼，也稱數(shù)據(jù)碼（ D碼）。 Y碼的結(jié)構(gòu)是完全保密的，只有美國及其盟國的軍方用戶以及少數(shù)經(jīng)美國政府授權(quán)的用戶才能使用 P 碼。 C/A碼是一種結(jié)構(gòu)公開的明碼，供全世界所有的用戶免費使用。 測距碼是用于測定從衛(wèi)星到接收機(jī)間的距離的二進(jìn)制碼，是由若干個多級反饋移位寄存器所產(chǎn)生的 M 序列經(jīng)平移、截短、求模二和等一系列復(fù)雜處理后形成的。其測距精度比偽距測量的精度高 23個數(shù)量級。采用兩個不同頻率載波的主要目的是為了較完善地消除電離層延 遲。 GPS衛(wèi)星所用的載波有兩個，由于 它們均位于載波 L波段，故分別稱為 L1 載波和 L2 載波。 9 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 圖 23 GPS 組成部分示意圖 第二節(jié) GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航定位信號 一、概述 GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號由載波、測距碼和導(dǎo)航電文組成。f2=120=. 按所用載波頻率多少， GPS信號接收 機(jī)可以分成下列類型： （ 1）單頻接收機(jī)：僅使用第一載波（ L1）及其調(diào)制波進(jìn)行導(dǎo)航定位測量； （ 2）雙頻接收機(jī)：同時使用多個載波及其調(diào)制波進(jìn)行導(dǎo)航定位測量。 按用途分類 （ 1）測地型接收機(jī)：厘米級精度，測后數(shù)據(jù)處理； （ 2）導(dǎo)航型接收機(jī)：米級精度，實時數(shù)據(jù)處理； （ 3）定時型接收機(jī)：專用于時間測定和頻率控制。以下是 GPS信號接收機(jī)的類型 按工作原理分類 基于被動式定位原理的 GPS 衛(wèi)星測量技術(shù)，關(guān)鍵在于怎樣測得 GPS 信號接收天線和 GPS衛(wèi)星之間的距離（簡稱站星距離）。例如：我們在控制測量中使用了４臺南方測繪儀器公司的 NGS9600 型靜態(tài)GPS接收機(jī)，其技術(shù)指標(biāo)為：測量精度： 5mm＋ 210－ 6 mm靜態(tài)測量， 20ｍｍ+110－ 6mm（高 8 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 程）。它是一種能夠接收、跟蹤、變換和測量 GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航定位信號的無線電設(shè)備，既具有常用無線電設(shè)備的共性，又具有捕獲、跟蹤和處理衛(wèi)星微弱信號的特性。全球定位系統(tǒng)的通信系統(tǒng)由通信線、海底電纜及衛(wèi)星通信等聯(lián)合組成。注入站能將接收到的導(dǎo)航電文存儲在微機(jī)中，當(dāng)衛(wèi)星通過其上空時再用大口徑發(fā)射天線將這些導(dǎo)航電文和其他命令分別“注入 ”衛(wèi)星。